CN108296484A - 基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法 - Google Patents
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Abstract
基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，本发明属于形状记忆合金领域，它为了解决现有熔炼、铸造等传统形状记忆合金结构制备方法工艺复杂、增材效率较低的问题。快速成形方法：一、形状记忆合金粉末材料匹配；二、利用三维画图软件构建结构件模型，然后导入到增材路径规划软件中，规划出整个结构件模型的增材路径；三、将基板、超声波发生器和磁场发生器放入保护仓内，等离子弧枪头按照增材规划路径进行结构件的增材成形，增材过程中施加磁场和/或超声波场辅助成形；四、对增材完成的结构件进行热处理。本发明通过多场辅助和等离子弧增材制造，实现形状记忆合金及其结构件的功能结构一体化快速成形。
Description
技术领域
本发明属于形状记忆合金领域，具体涉及一种基于多场辅助调控的形状记忆合金结构的成形方法。
背景技术
形状记忆合金作为一种具有特殊功能的智能材料，在工程中具有良好的应用前景。其中，镍钛系合金作为形状记忆合金的典型代表，因其奇特的记忆性能与超弹性、良好的耐磨耐蚀性、高的阻尼特性、优良的生物相容性，已经逐渐广泛运用于机械、电子、机械、航空航天、能源、生物医疗、运输以及日常生活用品等领域，用于制备人造骨骼、轻质驱动器、换能器及高阻尼减振器件等功能结构件。以典型的NiTi形状记忆合金为例，目前，常用制备方法主要包括有真空熔炼法、精密铸造法、PVD法及粉末冶金法等。但是，由于NiTi合金的熔点较高(1310℃)、化学活性大以及机加工性能差，常规的熔炼方法和粉末冶金等方法制备的NiTi合金组织上存在不同程度的缺陷、可制备的结构的形状及尺寸受到巨大的限制，这严重制约了NiTi合金的性能提高和工程应用，亟需探索新的高效、快速的形状记忆合金结构件的成形方法。
增材制造技术是近年来新兴的一种精密制造技术，其依靠计算机辅助软件构建数值化模型，然后通过粉末或丝材逐层堆叠打印的方式，实现复杂结构金属零部件的高效近净成形。高精度、高性能及高效的增材制造技术为形状复杂的形状记忆合金结构件的制备提供了一条行之有效的新途径。
目前，利用激光增材方式制备形状记忆合金已有一定研究，但是利用等离子弧增材制备形状记忆合金结构件尚未有相关的研究，等离子弧增材方式相对于激光增材方式在其设备和生产成本、效率等具有一定优势，更适合于大型结构件的生产。同时，但增材成形方式由于快冷快热的特点，在组织均匀性和应力方面存在一定问题，会对制备形状记忆合金的性能及功能产生一定的影响，但对于增材方式制备形状记忆合金中组织均匀化和高应力问题解决的研究尚未有报道。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有熔炼、铸造等传统形状记忆合金结构制备方法工艺复杂、增材效率较低的问题，而提出一种基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法。
本发明基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法按以下步骤实现：
一、按照原子比为1.2～1.5：1将Ni粉末和Ti粉末球磨处理混合均匀，烘干后得到形状记忆合金粉末材料；
二、利用三维画图软件构建结构件模型，将结构件模型以STL格式导入到增材路径规划软件中，然后规划出整个结构件模型的增材路径，并将增材路径规划结果以G代码的格式导出到增材控制系统中；
三、将步骤一得到的形状记忆合金粉末材料放入到等离子弧增材制造设备的送粉器中，将基板、超声波发生器和磁场发生器放入保护仓内，基板置于超声波发生器上，磁场发生器置于基板的周边上，然后封闭保护仓，通过氩气置换保护仓中空气的方式，将保护仓中水、氧含量控制在20ppm以下，增材前将基板预热到250～400℃，等离子弧增材制造设备的等离子弧枪头按照增材规划路径进行结构件的增材成形，增材过程中施加磁场和/或超声波场辅助成形，得到增材完成的结构件；
四、将步骤三增材完成的结构件放入热处理炉中，在960～1080℃的温度下保温2～20h进行组织均匀化高温处理，高温均匀化热处理后对结构件进行第二相调控热处理，在350～650℃的温度下保温0.5～3h，完成多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形。
本发明所提出的基于等离子弧增材的形状记忆合金的快速成形方法，克服熔炼、铸造等传统方法在形状记忆合金合成质量及其复杂结构件成形的局限性，通过多场辅助和等离子弧增材制造，实现形状记忆合金及其结构件的功能结构一体化快速成形，具有生产效率高、形状记忆功能稳定、材料利用率高、生产成本低、成形质量好等优点。经过相关实验测试，NiTi等离子弧增材结构的组织结构均匀，Ms点在10～60℃、As点在15～75℃、可恢复应变达到4～7％。
本发明以等离子弧增材制造为核心，通过磁场、超声波场及热场的辅助调控，实现形状记忆合金及其复杂结构件的功能结构一体化高质量快速成形，增材效率约为激光增材方式的2～3倍，结构力学性能接近锻件水平，形状记忆功能不差于常规方法，且可减少生产工序、大幅度缩短生产周期，有效降低生产成本。
附图说明
图1是本发明基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形装置的结构示意图，图中1—控制系统，2—等离子弧电源，3—供气系统，4—送粉器，5—机器人(臂)，6—工作平台，7—磁场发生器，8—超声波发生器，9—基板，10—增材层，11—等离子弧，12—增材粉末，13—等离子枪，14—热处理炉，15—保护仓；
图2是实施例中制备的NiTi等离子弧增材结构件的XRD图，其中◆代表NiTi(B19′)，代表NiTi2，代表NiTi(B2)，★代表Ni4Ti3；
图3是实施例中制备的NiTi等离子弧增材结构件的相变温度图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法按以下步骤实施：
一、按照原子比为1.2～1.5：1将Ni粉末和Ti粉末球磨处理混合均匀，烘干后得到形状记忆合金粉末材料；
二、利用三维画图软件构建结构件模型，将结构件模型以STL格式导入到增材路径规划软件中，然后规划出整个结构件模型的增材路径，并将增材路径规划结果以G代码的格式导出到增材控制系统中；
三、将步骤一得到的形状记忆合金粉末材料放入到等离子弧增材制造设备的送粉器中，将基板、超声波发生器和磁场发生器放入保护仓内，基板置于超声波发生器上，磁场发生器置于基板的周边上，然后封闭保护仓，通过氩气置换保护仓中空气的方式，将保护仓中水、氧含量控制在20ppm以下，增材前将基板预热到250～400℃，等离子弧增材制造设备的等离子弧枪头按照增材规划路径进行结构件的增材成形，增材过程中施加磁场和/或超声波场辅助成形，得到增材完成的结构件；
四、将步骤三增材完成的结构件放入热处理炉中，在960～1080℃的温度下保温2～20h进行组织均匀化高温处理，高温均匀化热处理后对结构件进行第二相调控热处理，在350～650℃的温度下保温0.5～3h，完成多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形。
本实施方式根据结构对形状记忆、力学及其它性能的服役需求，结合等离子弧增材中高能量输入、沸点不同粉末烧损等成形特点，在常规方法制备用材料体系基础上，对粉末材料的配比进行合理调整，等原子比NiTi合金粉末调整为1.2～1.5。步骤三中由于等离子弧增材方式快冷快热的特点，导致其凝固速度非常快，且带有一定的方向性，导致制备的组织均匀性较差，这对于增材制备的形状记忆合金的记忆功能具有不利的影响，因而在增材过程中加入磁场或超声波场，可借助其磁力搅拌和超声震荡作用，使晶粒细化，组织均匀性提升，进而有效提升其记忆功能。又由于等离子弧增材制备的形状记忆合金增材结构件应力较高，易导致裂纹的萌生，且组织均匀性方面也存在不足，而在增材后通过热处理工艺，充分去除增材结构件的应力，同时改善组织的均匀性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中Ni粉末和Ti粉末的粒径为50～150um。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中球磨处理和烘干过程进行氩气保护。
本实施方式通过氩气保护防止粉末氧化。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中所述的三维画图软件为Pro/Engineer或Solidworks。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中对结构件模型进行分层切片，设置增材水平偏移量为3～8mm，单层提升高度为2～5mm。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中所述基板的材质为钛合金。
本实施方式的基板预先经过打磨去除氧化皮和丙酮清洗干净。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中增材成形过程中控制等离子弧电流范围为100～130A，等离子弧枪头自动提升高度为6～8mm，扫描速度为3～5mm/s及送粉量为5.0～7.0g/min。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三中控制施加磁场的大小为250～450GS。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中控制施加超声波的频率为15～25kHz。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中在960～1080℃的温度下保温8～12h进行组织均匀化高温处理，高温均匀化热处理后对结构件进行第二相调控热处理，在400～500℃的温度下保温0.5～1.5h。
实施例：本实施例基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法按以下步骤实施：
一、形状记忆合金粉末材料匹配：按照原子比为55:45将Ni粉末和Ti粉末放入氩气保护气氛的球磨罐中进行球磨处理混合均匀，在氩气气氛下烘干后得到形状记忆合金粉末材料；
二、基于功能和制备最优化的结构增材路径规划：利用三维画图软件Solidworks构建结构件模型，将结构件模型以STL格式导入到增材路径规划软件中，对模型进行分层切片，设置增材水平偏移量为3mm，单层提升高度为2mm，然后规划出整个结构件模型的增材路径，并将增材路径规划结果以G代码的格式导出到增材控制系统中；
三、外场同步辅助等离子弧增材成形：将步骤一得到的形状记忆合金粉末材料放入到等离子弧增材制造设备的送粉器4中，将TC4基板9、超声波发生器8和磁场发生器7放入保护仓15内，TC4基板9置于超声波发生器8上，磁场发生器8环状包围TC4基板，封闭保护仓15，通过氩气置换保护仓15中空气的方式，将保护仓中水、氧含量控制在20ppm以下，增材前将基板9预热到300℃，等离子弧增材制造设备的等离子弧枪(头)13按照增材规划路径进行结构件的增材成形，其中等离子弧电流范围为120A，自动提升为6mm，扫描速度为4mm/s及送粉量为5.0g/min，增材过程中施加大小为350GS磁场进行辅助，得到增材完成的结构件；
四、增材结构的热场后处理：将步骤三增材完成的结构件放入热处理炉14中，在980℃的温度下保温10h进行组织均匀化高温处理，冷却方式为水冷，高温均匀化热处理后对结构件进行第二相调控热处理，在450℃的温度下保温0.5h，冷却方式为水冷，完成多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形。
本实施例结构模型为长方体实心结构件，具体参数为长×宽×高＝60mm×20mm×10mm，最终制备的增材结构件的尺寸为长×宽×高＝58.6mm×19.5mm×9.8mm。
将本实施例制备得到的结构件进行组织表征、XRD、力学等实验测试，结果为NiTi等离子弧增材层组织均匀、常温下呈现奥氏体相，Ms点在16.7℃、As点在21.5℃、可恢复应变达到5.3％。
Claims (10)
1.基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于该方法按以下步骤实现：
一、按照原子比为1.2～1.5：1将Ni粉末和Ti粉末球磨处理混合均匀，烘干后得到形状记忆合金粉末材料；
二、利用三维画图软件构建结构件模型，将结构件模型以STL格式导入到增材路径规划软件中，然后规划出整个结构件模型的增材路径，并将增材路径规划结果以G代码的格式导出到增材控制系统中；
三、将步骤一得到的形状记忆合金粉末材料放入到等离子弧增材制造设备的送粉器中，将基板、超声波发生器和磁场发生器放入保护仓内，基板置于超声波发生器上，磁场发生器置于基板的周边上，然后封闭保护仓，通过氩气置换保护仓中空气的方式，将保护仓中水、氧含量控制在20ppm以下，增材前将基板预热到250～400℃，等离子弧增材制造设备的等离子弧枪头按照增材规划路径进行结构件的增材成形，增材过程中施加磁场和/或超声波场辅助成形，得到增材完成的结构件；
四、将步骤三增材完成的结构件放入热处理炉中，在960～1080℃的温度下保温2～20h进行组织均匀化高温处理，高温均匀化热处理后对结构件进行第二相调控热处理，在350～650℃的温度下保温0.5～3h，完成多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形。
2.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤一中Ni粉末和Ti粉末的粒径为50～150um。
3.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤一中球磨处理和烘干过程进行氩气保护。
4.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤二中所述的三维画图软件为Pro/Engineer或Solidworks。
5.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤二中对结构件模型进行分层切片，设置增材水平偏移量为3～8mm，单层提升高度为2～5mm。
6.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤三中所述基板的材质为钛合金。
7.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤三中增材成形过程中控制等离子弧电流范围为100～130A，等离子弧枪头自动提升高度为6～8mm，扫描速度为3～5mm/s及送粉量为5.0～7.0g/min。
8.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤三中控制施加磁场的大小为250～450GS。
9.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤三中控制施加超声波的频率为15～25kHz。
10.根据权利要求1所述的基于多场辅助调控的形状记忆合金复杂结构的快速成形方法，其特征在于步骤四中在960～1080℃的温度下保温8～12h进行组织均匀化高温处理，高温均匀化热处理后对结构件进行第二相调控热处理，在400～500℃的温度下保温0.5～1.5h。
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